一台机器上实现多个生产制造工艺

作者：汉诺威莱布尼兹大学 Dominik Brouwer

欢迎访问e展厅 展厅 1 加工中心/FMS展厅 车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ... 为了在一台机器上实现多个生产制造工艺，机床制造商正在结成联盟，希望他们能够在新的生产环境中发挥各自的核心竞争力。 正值世界金属加工行业新一轮的发展时期，2011年9月19~24日在德国汉诺威举行的EMO Hannover 2011展览会的参展商们展示了经过验证的理念及创新的产品。应接不暇的订单加上稳定健康的产能利用率，更容易让设备用户提高对新技术的关注和投入。 机床供应商正在将关注的重点转移到工件的完整加工上，以减少生产周期。当今在金属切削领域最高端的应用均采用通过几何关系确定形状的刀片及5轴操控模式，同时还具有车削及其他加工功能。在金属切削领域来说有一个明显的趋势，那就是整合采用此类（通过几何关系确定形状）刀片的切削工艺，将其用于表面处理的精细加工中。此外，根据生产要求的不同，还可以实现与原材料输送系统和工件处理系统相互对接以及下游的计量等任务。为了在一台机器上实现多个生产制造工艺，机床制造商正在结成联盟，希望他们能够在新的生产环境中发挥各自的核心竞争力。 趋向一体化的生产过程 两家参展商（J.G. Weisser Sohne Werkzeugmaschinenfabrik GmbH & Co. KG)共同打造了一个齿轮组件加工解决方案，展示了怎样才能有效地整合整个生产过程。在这台机器的第一个部分，演示工件表面采用旋转车削的方式进行加工，还可以对不同凸起表面粗糙度（RZ = 1微米）的淬火或未淬火齿轮组件进行内外及表面车削。接着由一个集成工件处理系统将工件材料进行转动并传送到机器的第二部分，在那里对直齿或螺旋齿进行最后的磨削（Kapp GmbH）。 激光作为一种新的制造技术也取得了稳步的发展，并在各个行业获得了普遍的认同。以前超硬陶瓷材料只能采用磨削的方式进行加工，但是现在可以整合激光工艺进行加工。一家车床参展商（A. Monforts Werkzeug-maschinen GmbH & Co.），采用激光对氮化硅陶瓷进行外加工。激光束的能量集中在刀片的前端，降低了材料中的流动水分点（FMP），这样便可以采用金刚石刀具对其进行车削加工。激光技术的应用同时也拓宽了金属材料在刀具方面的应用范围，比如采用超硬化处理或加入硬化颗粒或局部微结构化的金属材料。如果添加了硬化颗粒，可以采用碳化钨或碳化钛等硬质合金刀具，它们的陶瓷属性，特别是极高的硬度，能够有效地提高刀具的抗磨损性。内部加工目前仍处于开发阶段。在加工中心方面，激光系统可以与传统的金属切削刀具同时使用，从而提供5轴式的微细结构表面加工。根据被加工材料的种类以及材料的切削率，用户可以选择光纤、二极管或皮秒激光器。例如，一家供应商（Sauer GmbH / Lasertec, Pfronten）展出了工装模具制造中冲模表面晶粒化的加工效果。 在使用干式旋风切削加工滚珠丝杠时还可以利用系统产生的热能。在该加工中旋风切削刀具可以与立方氮化硼刀片配合使用，可以为经过淬火处理的圆钢工件提供干式加工。该机器的高配置版采用了坚实的花岗岩床身，其坚硬度和热惯性能够防止震动和脱位的发生。采用这种方式获得了优异的表面质量（Reitec GmbH & Co. KG）。 对于大型工件，需要进行多种加工，一家制造商（Union Werkzeugmaschinen GmbH Chemnitz）展示了一种高性价比的操纵平台式铣床。工作台可以实现高速移动，横向移动速度最高可以达到40米/分钟。在频繁的工件定位和换刀情况下，非生产时间可以大大缩短。该设备的主轴性能（速度可达每分钟5000转，功率可达30千瓦，最大扭矩为850 Nm）可以满足大多数普通的金属切割要求。 对于难加工材料，如镍钛合金，一家制造商（日本大隈株式会社）提供了一台加工中心，冷却剂压力可以高达150巴。这意味着即使切削率很高——有很大一部分能量会转换成热能，也能够有效地进行加工。为了让加工中心也能够顺利地进行立方体工件（非旋转对称）的车削，该设备还额外配备了圆形工作台，工件的直径可达1,200毫米。 圆形工作台的速度一直以来最高只能达到1000转/分，一家参展商展出了一种轴承系统，可以使直驱式圆形工作台转速达到2000转/分。这样不仅保持了必要的刚性和精度，还降低了摩擦力矩和轴承内产生的温度。这种圆形工作台转速的大幅提高对采用加工中心以技术上可以实现的切削速度对小直径工件切削时尤为重要（Schaeffler Technologies GmbH & Co.与Ina Drives & Mechatronics GmbH & Co. oHG）。 机床的外形设计 以往常常在加工车间或厂房内看到的传统“绿色”机床在今年的汉诺威机床展上已经销声匿迹。取而代之的是经过精心设计的设备，外形都是由专门的工业设计师打造的。现场的观众会发现设备的造型与严谨的人类工程学形成了紧密的结合，这一点给加工带来的好处是不言而喻的。外形设计可以成为推动销售的一个重要因素，而且其本身的演变和发展也从未停止过，不过最重要的是，外形设计首先要满足机器人体工学和工作效率的要求。此外，外形设计也要达到提高机器性能及提升用户购买自豪度的目的。 一家研磨设备制造商（Gehring Technologies GmbH）展出的产品外形是集中体现功能性、简洁性及永不过时的代表，其设计充分展示了产品的核心功能。在机床设计方面，设计师还采用了新的材料，其目的不仅是为了设备在造型方面的需求，还试图充分发掘和利用新材料固有的特性。举例来说，碳纤维材料不仅仅用于飞机及汽车制造，还在机床上得到了应用。一些参展商展出了一种采用碳纤维增强塑料制成的卡规，由于重量的大幅降低，操作者可以很容易地用其测量大型轴承的直径（Kordt GmbH & Co. KG）。车床的卡盘采用碳纤维增强塑料最高可以节省75%的重量。由于主轴旋转速度的提高，生产力也得到了提高，同时系统的能效也得到了提升（来自Messrs. Schunk GmbH & Co. KG的Rota NCL卡盘）。 能效与可持续性因机床负荷的降低而得到提高 虽然近几年机床零部件供应商一直积极主动地寻求降低能源消耗的方法，不过与此同时机床制造商也在从他们的角度努力提高设备的能效。基于机电系统的系统和零件也逐渐应用到机床设备上，用于取代液压单元（比如夹持及驱动系统中）。完全不采用液压系统的机床已经出现在了市场上。通过能量再生技术、高效的驱动方式、低摩擦的轴承系统以及自适应控制系统，设备的能耗可以得到大幅度的降低。 一家机床制造商（Grob-Werke GmbH & Co. KG）展出了一台完全不采用任何液压系统的加工中心。设备上的CNC控制系统不仅用来控制轴承，还用来控制用于刀具及工件夹持的系统。后者通过机电部件来实现。用机电系统来替代液压系统不仅可以降低能耗，还可以提高设备的可用性，同时减少非生产时间。 有关提高机床能效的节能部件包括安装在车床上的刀具转塔刀架，其设计也得到了改进。在加工过程中，转塔刀架全程采用机电方式锁定。转塔刀架在车削或磨削过程中不需要任何能量，这样可以保持夹持系统的配置参数，同时转塔刀架的性能数据与液压系统一样不相上下。相对被驱动的刀具来说，转塔刀架提供的额定功率为11kW，最高速度可达12,000转/分，扭矩为33Nm（Sauter Feinmechanik GmbH）。 此外，一家夹具辅助装置制造商（Rohm GmbH）展出了为车床开发的全新紧凑型电动夹具。该夹具系统只有在工件需要移动的时候才会消耗能量。因此，其能耗要比液压驱动的夹持系统低。对车床来说还有一点比较重要的是，在加工细长型工件时需要采用支架来支撑工件。在此次展会上，一些业内领先的制造商展出了完全采用机电模式控制的支架。此前在实际应用中得到反复验证的液压式自定心支架的机械结构可以说被完全改变了，当然也可以说完全没有改变。此前支架由液压缸驱动，现在由高速比的伺服电机驱动。除了降能节耗方面的优势，一家支架制造商还列举了其他好处，比如支架集成了易于操作的控制系统，无需能量的输入即可实现操作自锁，以及成本也要低于液压控制的支架（SMW-Autoblok Spannsysteme GmbH、Schunk GmbH & Co. KG Spann- und Greiftechnik）。总的来说，以上所提及的机床部件或系统由于其背后的工作原理原因，可能需要较高的采购成本。但是供应商则表示额外的投入在短期内就可以得到收益回报。 成型技术和钣金加工的创新 在成型技术领域，很明显液压驱动装置在未来至少部分会被机电伺服驱动取代。在此次展会上展出了一台用于固态成型的机电压力机。伺服驱动技术可实现更高的成型速度以及更好地利用材料本身的成形特性。还有一个展品是一台水平锻压机床，其压力为500kN。该压力机拥有两个伺服驱动器和一个垂直曲杆钳驱动器（舒勒公司）。 激光金属切割加工系统现在已开始使用光纤激光器：一家供应商（日本天田公司）展出了一台不仅能够切割钢材，同时也能够切割比如铜、黄铜和钛等有色金属材料的加工设备。该设备采用采用直线驱动，可以使系统定位速度达到240米/分。采用该系统切割厚度为1mm的不锈钢板材，切割速度可达到60米/分。使用光纤激光器意味着可以摒弃复杂并且成本较高的光束引导镜头，并且也减少了操作空间。 刀具创新降低成本、增加产量 由于硬质合金的价格较高，大多数刀具制造商都提供可以安装不同硬质合金刀头的刀具基体。只要在切削过程中不会带来技术上的问题，都可以考虑采用可换刀头的刀具来替代一体式的硬质合金刀具。一家制造商展示了一种可换刀头的系统，其设计和结构可以保证系统较高的精度（采用常规的换刀模式），这也得益于系统径向中心定位技术以及刀具悬臂长度的一致性。 模块化的刀具系统呈现出了一种新的发展趋势。这种系统也有助于生产力的提升。为所需要的加工模式采用正确的刀头，可以有针对性地选择合适的刀具材料，切割数据也得到了相应的调整。与硬质合金可换刀头刀具系统相比，具有模块化结构的刀具基体在生产力方面具有一定的优势。由于使用了较小的硬质合金切割刀片，一款装置角为90度的多联齿轮方肩铣刀（切割深度可达4mm）可以在系统中配备更多的刀片。更紧密的齿距提高了整体的进给速度（山高刀具公司）。对于齿轮滚刀，一家制造商（蓝帜集团公司，LMT Tool Systems GmbH）提供了一种由创新型金属间化合物材料（原材料为钴、钼、铁）制成的切削刀具。在生产过程中通过二次硬化处理将金属化合物材料中金属中间相进行分离。与高强度钢相比，这种材料能够在较高的温度中保持刀具的机械强度，切割速度可以增加50％，而且工件的加工时间也得到了减少。 非生产、生产准备及停机时间减少 为了降低设备的非生产时间所占的比例，一家齿轮齿条装置供应商（Wittenstein alpha GmbH）展出了针对直线运动开发的一系列动态齿轮电机单元。该系统齿轮单元的尺寸为了与减重后的系统相匹配进行了重新的设计。在一般情况下，300千克的齿轮电机可以在0.3秒内加速到360米/分。如果重量为20吨，达到40米/分需要0.13秒。齿轮通过电子束焊接到机电单元上，因此整个单元从尺寸上看非常紧凑。对涉及大型零部件的车削加工来说，一家供应商（SMW-Autoblok Spannsysteme GmbH）展出了一个支架和卡盘，在夹持状态下的中心对准可以通过螺丝刀精确到微米。这样在非夹持状态下花在支架调整方面非常耗时的生产准备时间就可以省掉了。 为了进一步减少生产准备时间，一家供应商（MPC Automation Systems AB）展出了一款全新的卡爪更换系统，采用了旋转卡爪。转动这些卡爪，让其啮合，操作人员可以设定六个不同的工作位置。与之前的手动的卡爪更换系统相比，新的系统所需的时间可以得到大幅度的缩短。一家供应商（Ott-Jakob Spanntechnik GmbH）还展出了一款在主轴磨削加工中用来监控刀座平面度的系统。该系统还可以用来监测10微米之内的磨屑和污渍，此外在出现故障时还可以将故障信息发送给控制系统。加工接触面与主轴和刀座之间距离的测定采用了雷达电子和陶瓷谐振器技术，这样可以减少设备的停机时间。 钛、纤维增强塑料或复合材料对金属切削的新挑战 随着汽车对轻量化需要的不断提高，一些轻质合金如钛合金及复合材料也越来越多地应用到汽车制造中。因为与铝合金结构相比，钛合金的部件，在切割中的切削率较低，许多公司正在努力提高钛合金部件的生产水平。可以举两个例子来说明技术的不断进步。为了平衡在钛合金切割加工中产生的静力和去除产生的切屑，一家热缩刀柄制造商（Haimer GmbH）推出了一种自适应的刀具夹持系统 ：该系统带有一个自锁凸轮，可以扣在刀柄上的凹槽中。这样就能避免在遇到较大的轴向力时刀具被拉出。目前在钛合金切削中最普遍的冷却方式是采用大量的水溶性冷却液。在这种情况下，一家冷却液生产商（Blaser Swisslube GmbH）表示，如果使用专门为钛合金开发的冷却液，那么切削刀具的使用寿命可以得到显著的延长。 处理过程控制的选择成为取得竞争优势的关键 有一种方法能够在不使用冷却剂的情况下对难加工的材料进行切削，同时还可以提高生产力，不过需要选择使用一种创新的流程控制模式。比如低温加工，使用液氮或二氧化碳雪晶进行低温冷却，可以显著提高切削率。为了提高加工调质钢、蠕墨铸铁或者难加工的钛/镍合金材料的效率，一家机床制造商（MAG IAS GmbH Goppingen）展示了如何在加工过程中冷却的方式。为此，他们使用了-200℃的液氮通过刀具的刀片传递到与工件的接触位置。对于旋转刀具，主轴系统已进行了适当的调整以适应如此低的温度。在-78℃低温下，可以采用二氧化碳雪花喷射的方式来替代液氮对加工进行冷却。这佯做的一个优势是能够简化冷却液的供给系统，因为液态二氧化碳储存在容器中是常温状态，只有通过喷嘴释放出来才会达到冷却的效果。现有机床只需要经过简单的改装就可以采用这种方法，从而使难加工材料的加工成为可能（Global Retool Group GmbH）。 软件在生产过程的应用逐渐增多 采用专有的设备对刀具进行预调，不仅能够确定切削的位置，同时也能够确定刀具的轮廓。一家刀具预调设备供应商（E. Zoller GmbH & Co. KG Einstell- und Messgerate）展示了如何将3D数据以不同的格式保存起来（如保存在CAM套件中），然后用于碰撞检测。目前该公司还在继续开发如何针对非旋转对称切削刀具如车刀进行数字化。针对刀具的数字化，现场展出的一个系统不仅仅可以探测刀具的轮廓，还可以探测整个刀具的形状。系统集成的光带显微镜可以用来确定旋转对称刀具复杂的结构。高精度光带投影仪也能够使切割边缘比较容易被检测出。 一家CAD-CAM软件开发商（Coscom Computer GmbH Ebersberg）为了缩短加工时间将其重点放在了优化不创造价值的工作步骤上。尤其是那些经常要重复生产批量小、差异大的产品，并从较短的物料准备、磨合试机和停机时间中获益的中间公司。该CAD-CAM系统不仅能够确保数控加工程序得到优化，还可以避免碰撞的发生，这些对五轴加工来说尤为重要。该系统还集成了刀具和夹持辅助管理功能，能够帮助协调状态、日程及位置等管理细节。 机床的控制系统可以充当机器能耗的可视化平台：比如一家制造商（西门子公司，Siemens AG Industry Sector Drive Technology Division）展示的机器控制面板，可以让操作者在机器处于停机状态时使用一个方便记忆的组合键来直接评估整台机器的能耗。这可以让操作者很容易地找到那些高耗能设备或系统，然后根据需要将其关闭。同时也能够分析生产某个特定工件的能消，从而改进加工策略。 过程监控 今年，由于生产线利用率所产生的长期成本压力因机床操控自动化程度的提高而逐渐得到缓解，这主要受益于过程监控系统的应用。这主要涉及到几个方面，其中包括操作人员的直观控制，以及相对生产人员来说系统可用性的提高。同时，过程监控系统的简单适应能力，从而满足客户的特定需求在今年扮演了一个非常重要的角色（Marposs S.p.A）。在监测系统的软件和硬件方面有一个显著的发展趋势——监控系统的模块化，这也是提高系统灵活性以满足客户需求的首要条件。 结束语 EMO Hannover 2011展览会展示了最出色的高端产品，这些产品提供了最大化的生产力、可用性和成本效益。一些备受关注的问题，如资源经济和新材料的加工在相关的研讨会中也进行了广泛的讨论。无疑机床制造商和零部件供应商都已经做好准备以满足来自用户端的需求和应对未来的挑战。

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